Νόμπελ Φυσικής 2010: Γραφένιο, ένα λεπτότατο υλικό δύο διαστάσεων

Τετάρτη, Οκτωβρίου 06, 2010

Αναζήτηση Θέματος

Το Νόμπελ Φυσικής για το 2010 απονεμήθηκε από τη Σουηδική Ακαδημία Επιστημών στον Ολλανδό Andre Geim και τον Ρωσοβρετανό Konstantin Novoselov, φυσικοί του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, για τα πρωτοποριακά τους πειράματα σχετικά με το δισδιάστατο γραφένιο.

Πραγματικές φέτες γραφενίου
πάχους ενός μόνο ατόμου (2004)

Το γραφένιο ήταν τρίτο στη λίστα των πιθανών Νόμπελ και επιβραβεύει τις προσπάθειες δύο Ρώσων φυσικών.

Το γραφένιο είναι μια μορφή του άνθρακα. Σαν υλικό είναι εντελώς νέο - όχι μόνο το λεπτότερο που έγινε ποτέ, αλλά και το ισχυρότερο. Ως καλός αγωγός του ηλεκτρισμού άγει σαν τον χαλκό. Ως αγωγός της θερμότητας ξεπερνά όλα τα άλλα γνωστά υλικά. Είναι σχεδόν διαφανές, αλλά και τόσο πυκνό που ακόμη και το ήλιο, το μικρότερο άτομο αερίου, δεν μπορεί να το διαπεράσει. Ο άνθρακας, η βάση όλων των γνωστών μορφών ζωής στη γη, μας εξέπληξε ευχάριστα για άλλη μια φορά.

Μια λεπτή στρώση του κοινού άνθρακα, πάχους ενός μόνο ατόμου, βρίσκεται πίσω από το φετινό Νόμπελ στη Φυσική. Οι Andre Geim και Konstantin Novoselov έχουν δείξει ότι ο άνθρακας σε μια τέτοια επίπεδη φόρμα έχει εξαιρετικές ιδιότητες που προέρχονται από τον εξαιρετικό κόσμο της κβαντικής φυσικής.

Οι Geim και Novoselov εξήγαγαν το γραφένιο από ένα κομμάτι γραφίτη, όπως αυτό που βρίσκεται στα συνηθισμένα μολύβια. Χρησιμοποιώντας το συνηθισμένο σελοτέιπ κατάφεραν να φτιάξουν μια νιφάδα του άνθρακα με πάχος μόλις ενός ατόμου. Μέχρι τότε πολλοί πίστευαν ότι ήταν αδύνατο τέτοια λεπτά κρυσταλλικά υλικά να είναι σταθερά.

Ωστόσο, με το γραφένιο, οι φυσικοί μπορούν να μελετήσουν τώρα μια νέα κατηγορία δισδιάστατων υλικών με μοναδικές ιδιότητες. Το γραφένιο καταφέρνει να κάνει δυνατά τα πειράματα που ανατρέπουν τα στερεότυπα στα φαινόμενα στην κβαντική φυσική. Επίσης, είναι δυνατόν να εμφανιστεί μια απέραντη ποικιλία πρακτικών εφαρμογών, από τη δημιουργία νέων υλικών έως και την κατασκευή καινοτόμων ηλεκτρονικών. Το τρανζίστορ από γραφένιο προβλέπεται να είναι σημαντικά ταχύτερο από το τρανζίστορ του πυριτίου και να οδηγήσει έτσι σε πιο αποτελεσματικούς υπολογιστές.

Δεδομένου ότι είναι σχεδόν διαφανές και καλός αγωγός, το γραφένιο είναι κατάλληλο για την παραγωγή διαφανών οθονών αφής, πάνελ φωτισμού και ίσως ακόμη και ηλιακά κύτταρα.

Όταν αναμιγνύεται με τα πλαστικά, το γραφένιο μπορεί να τα μετατρέψει σε καλούς αγωγούς του ηλεκτρισμού, καθιστώντας τα πιο ανθεκτικά στη θερμότητα και πιο ανθεκτικά. Αυτή η αντοχή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για νέα σούπερ ανθεκτικά υλικά, τα οποία είναι επίσης λεπτά, ελαστικά και ελαφριά. Στο μέλλον, οι δορυφόροι, τα αεροπλάνα και τα αυτοκίνητα θα μπορούσαν να κατασκευαστούν από νέα σύνθετα υλικά.

Οι φυσικοί για πολύ καιρό προσπαθούσαν να φτιάξουν γραφένιο με χημική απολέπιση του γραφίτη αλλά απέτυχαν. Ακολούθως, το κατάφεραν με μηχανικό διαχωρισμό τρίβοντας γραφίτη πάνω σε κάποια επιφάνεια. Τα ατομικά επίπεδα έγιναν ορατά με οπτικό μικροσκόπιο πάνω σε υπόστρωμα SiO2 και ακολούθησε εξακρίβωση με μικροσκόπιο ατομικής δύναμης.

Το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί:

Ως σκόνη για την κατασκευή αγώγιμων πολυμερών
Ως σκόνη σε μπαταρίες
Ως αποθηκευτικό υλικό για Υδρογόνο
Ως υλικό για laser ημιαγωγών και άλλων οπτοηλεκτρονικών συσκευών.(ειδικά σε 2 επίπεδα γραφενίου το χάσμα μπορεί να ρυθμιστεί από 0 έως 0.3eV)
Ερευνητές της IBM έχουν αναφέρει ότι χρησιμοποίησαν το γραφένιο για τη δημιουργία «διόδων επίδρασης πεδίου» (FET), ένα είδος τρανζίστορ, με συχνότητες λειτουργίας που έφτασαν τα 30 GHz και θα μπορούσαν να αυξηθούν περαιτέρω στα 100 GHz.

Για τη δημιουργία των πειραματικών τρανζίστορ η ερευνητική ομάδα εφάρμοσε μια θερμική τεχνική για το σχηματισμό στρωμάτων γραφένιου πάνω σε πυρίτιο. Κατασκεύασαν έτσι μια πλάκα πυριτίου, όμοια με αυτές στις οποίες δημιουργούνται τα συμβατικά τσιπ, καλυμμένη όμως με FET γραφένιου.

Οι δύο επιστήμονες εξέφρασαν την έκπληξή τους για «τις επαναστατικές εργασίες τους στο γραφένιο», ένα υλικό που μπορεί να φέρει επανάσταση στην ηλεκτρονική.

Οι δύο φυσικοί είναι καθηγητές του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, στη Βρετανία, το οποίο εξέφρασε την ικανοποίησή του για αυτήν τη «φανταστική είδηση» και υπογράμμισε ότι οι εργασίες των δύο επιστημόνων έχουν «τεράστια πρακτικά πλεονεκτήματα».

«Είμαι συγκλονισμένος», δήλωσε ο 36χρονος Νοβοσέλοφ στο σουηδικό πρακτορείο ειδήσεων TT, το οποίο μετέδωσε ότι αυτό του αποκάλυψε ότι κέρδισε το βραβείο. «Είναι τρελό», προσέθεσε, σχολιάζοντας ότι δεν περίμενε να κερδίσει το βραβείο παρά τις εκτιμήσεις των ειδικών που τον τοποθετούσαν μαζί με τον Γκέιμ μεταξύ των φαβορί.

Την έκπληξή του εξέφρασε κι ο 51χρονος Αντρέ Γκέιμ, ο οποίος ήταν ο καθηγητής του συνεργάτη του «Κόστια» Νοβοσέλοφ στο παρελθόν. «Πιστεύω ότι υπάρχουν δύο κατηγορίες νικητών των βραβείων Νόμπελ: αυτοί που μετά σταματούν να κάνουν ο,τιδήποτε ως το τέλος της ζωής τους και αυτό είναι μια πολύ κακή υπηρεσία στην κοινωνία», ανάφερε. «Και υπάρχουν και αυτοί που πιστεύουν αυτό που θα σκεφτούν κι άλλοι άνθρωποι, ότι κέρδισαν το Νόμπελ κατά τύχη και οι οποίοι αρχίζουν να εργάζονται ακόμη πιο σκληρά από προηγουμένως», σχολίασε, εξηγώντας ότι θέλει να ανήκει στη δεύτερη κατηγορία.

Γραφένιο από γραφίτη: Ο γραφίτης είναι μια βασική ύλη που βρίσκουμε στη φύση. Όταν λαμβάνεται από τον γραφίτη σε μορφή φύλλων γίνει το γραφένιο. Αν τυλιχθούν τα φύλλα του γραφενίου σχηματίζει ένα νανοσωλήνα από άνθρακα, αν διπλωθεί γίνεται μια μικρή μπάλα ποδόσφαιρο, το φουλλερένιο. Το γραφένιο, κρυμμένο μέσα στον γραφίτη, περιμένει να το ανακαλύψουμε.

Πηγές: sciencedaily.com , ΑΠΕ , physics4u.gr/blog